第四部分换流站)

高压直流输电技术
High Voltage Direct Current Transmission Technology
西安交通大学高压教研室 汲胜昌
2009年 12月
第四部分
直流输电换流站及 换流变压器
4.1 换流站概述
� 在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流 电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对 安全稳定及电能质量的要求，换流站中应包括的主要设备 或设施有：
4∆α 此时，在阀侧绕组所产生的直流不平衡电流为： ∆ I dc = 360 ° ⋅ I d
△α一般在0.2°~0.25°之间，即：△Idc在0.0022~0.0028Id之间。
b）双极变单极运行时，地电位不为零
I2/3 I2/3 I2/3
I2
I2
R1
R2
U(r1)
U(r2)
在换流站或附近的变电站中性点直流电流的大小的影响因素包括：
主要考虑的是直流系统一组换流单元故障时 对交流系统的冲击。采用a，换流器故障即 极故障，若极的输送功率大，两端系统比较
� 在上述诸因素中，单个12脉动弱换时流，单换流元器的故最障大对制交造流容系量统和冲换击流大。变采压用
b、c相对来说冲击小一些，但这并不是确定
器的制造及运输限制往往是确每定极每多极少换个1流2脉器动组换数流的器决的定决性定因因素素，，有因为
这种不平衡：
可能是由于交流系统电压不对称（等距离触发系统）； 晶闸管触发回路的触发误差； 同相两个阀触发信号光纤长度的轻微不同。
假定触发延迟角的误差为△α（可正、可负），最严重情况：
i5 α i1 α i3
i5
i1
i6
i2 α i4 α i6
i2
V5向V1换相提前了△α V1向V3换相滞后了△α V2向V4换相滞后了△α V4向V6换相提前了△α
� 对于现代直流输电工程，论证的焦点集中在每极采用几组12脉动 换流单元，其可能的接线方式通常有三种： � a、每极1组12脉动换流单元； � b、每极2组12脉动换流单元串联； � c、每极2组12脉动换流单元并联。
a、每极1组12脉动换流单元
b、每极2组12脉动换流单元串联
c、每极2组12脉动换流单元并联
站址的选择原则
� 1）站址附近具备水运、铁运及卸货的条件； � 2）靠近公路； � 3）避开大型的公路桥梁； � 4）避开空中障碍物，如立交桥、隧洞等。
� 由设计院来制定大件运输的方案，估算运输的费用。 � 肇庆换流站（山根站址）：2400万元（水运为主） � 其它站址：3600万元（要加固多座桥梁；经过乡镇及村庄道路——修路
二、换流变压器区域
� 大容量高压直流换流站的换流变压器容量大、台数 多、占地面积较大。
� 为了缩短换流变压器阀侧套管与阀厅之间的引线长 度，减少直流侧由于绝缘污秽所引起的闪络事故， 一般要求换流变压器靠近阀厅布置。
� 保护换流变压器的交流避雷器靠近换流变压器布置。
三、阀厅控制楼区域
� 阀厅与控制楼大都采用整体建筑结构。阀厅内安 装晶闸管换流阀及其相应的开关设备和过电压保 护设备。
� 直流偏磁引起的励磁电流增加, 对铁心拉板或支撑板的温升影响最大。芯式变压器 铁心的拉板或壳式变压器铁心的支撑板通常是采用磁性材料,以获得足够的机械强 度。位于铁心表面的铁心拉板或支撑板, 与铁心硅钢片的磁场强度相同, 其厚度比 硅钢片的厚度又厚得多, 大的涡流损耗导致了拉板或支撑板温度升高。
� 源于：铁心高度饱和引起漏磁通的增加，从而导致局部过热，绝缘老化加快。
Q = Pd ⋅ sin φ cos φ
φ =α + µ 2
∆ U = V d 0 [cos α − cos( α + µ )] 2
3
= π
X C ⋅ Id
二 直流偏磁
B
i
（1）涵义
B i
H
t
H
t
t
交流中的铁芯饱和
t
直流偏磁
（2）直流偏磁的产生原因
a）各阀触发相位的间隔不等（触发角不平衡），使得阀侧绕组 的电流平均值不为零，有直流电流分量。
� （1）阀厅面积显著增大，增Biblioteka Baidu了阀厅及其附属设施的造价及 年运行费用；
� （2）增加了换流变压器的制造难度； � （3）换流变压器的运行维护条件较差； � （4）换流变压器的备用相更换不方便。
4.3 换流变压器
4.3.1 换流变压器功能与特点
� 换流器所用的电力变压器简称换流变，它和普 通的电力变压器结构基本相同，但由于换流变压 器的运行与换流器的换相所造成的非线性密切相 关，所以换流变压器在漏抗、绝缘、谐波、直流 偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器 有着不同的特点。
每极采用几组12脉动换流单元主要与以下因素有关：
� （1）单个12脉动换流单元的最大制造容量；
� （2）换流变压器的制造及运输限制； � （3）分期建设的考虑； � （4）可靠性及可用率；
a、每极1组12脉动换流单元； b、每极2组12脉动换流单元串联； c、每极1组12脉动换流单元并联。
� （5）投资考虑； � （6）交流系统的要求。
时分期建设的要求和资金安排不也论会采影用响a还每是极b组、数c，的直确流定系。统单极故障总
会发生（只是后两者的概率低而已），交流
�由于每极1组12脉动换流系器统的总是方要案承具受单有极接故线障的布冲置击 简单、可
靠性高、投资省的特点，若制造商具备生产制造能力，且运
输通道不受限制，则应优选采用这种方案。
（1）变压器与换流单元组合形式
(a) 一个换流单元—三相三绕组变压器 (b) 一个换流单元—三相双绕组变压器
变压器与换流单元组合形式
(c) 一个换流单元—单相三绕组变压器 (d) 一个换流单元—单相双绕组变压器
变压器与换流单元组合形式
(f) 两个换流单元并联—单相三绕组变压器 (e) 两个换流单元串联—单相三绕组变压器
换流器的情况； � （3）换流变压器脱开阀厅布置，可适用于各种接线方式。
换流变压器阀侧套管插入阀厅的布置
� 优点：
� （1）可利用阀厅内良好的运行环境来减小换流变压器阀侧套 管的爬距；
� （2）可防止换流变压器阀侧套管的不均匀湿闪； � （3）可省掉从换流变压器到阀厅电气引线的单独穿墙套管。
� 缺点：
+ 1 cos(13ωt) 13
−⋯
I d ' = I d + Iind cos(ωt + φ )
ia中有直流分量
d）换流器交流母线存在正序二次谐波电压，在直 流侧会出现50Hz的交流电压分量，从而导致换流 变阀侧电流中出现直流电流分量
正序二次 谐波电压
1）正 序 二 次 谐波电流
2）交 流 侧 直流电流
二、换流变压器与换流阀连接
� 换流变压器的型式直接影响换流变压器与换流阀的连接 及布置。
� 由于三相三绕组换流变压器具有接线布置最简单、投资 最省等特点，对于中小型直流输电工程，在条件许可的 前提下，总是优先采用。
� 但是受制造能力及运输尺寸的限制，对于大型直流输电 工程，三相双绕组变压器、单相三绕组变压器以及单相 双绕组变压器也广泛应用。
1）与接地极的距离； 2）接地极周围的大地电阻率； 3）换流站及变电所的电位升高； 4）交流电网的构成及参数 等多方面的因素。
c）直流输电线路周围有交流输电线路时，即使是对称运行 的，各相与直流线路距离不相等，感应出50Hz的交流电压 →直流线路流过50Hz的交流电流
???? 换流变绕组中为何流过直流电流？
8—直流滤波器； 9—电力线载波；10—接地极
� 换流站的主要设备一般分布在以下区域：
� 1、交流开关场区域； � 2、换流变压器区域； � 3、阀厅控制楼区域； � 4、直流开关场区域。
一、交流开关场区域
� 交流开关场区域主要包括： 按主接线要求进行连接的换流站交流侧开关
设备、交流滤波器及无功补偿设备、防止设备免 遭过电压侵害的交流避雷器，为了对交流侧的电 流、电压等电气量进行监测，在这个区域里还装 设有交流测量装置。
一、换流阀组接线
(a)
AC B
m1
Id
a c
V1
V3
V5
ia Y
i1
i4
ib Y
i3
b
i6
ic Y
i5
i2
V4
V6
V2
n1
负
m2
Vd 载
V1'
V3'
V5'
a
ia△
i'1
i'4
ib△
i'3
c
b
i'6
ic△
i'5
i'2
V4'
V6'
V2'
n2
(b)
换流器接线图
（a）6脉动换流器；（b）12脉动换流器
� 每极的换流器接线始终是直流输电工程设计前期需要研究和论证 的课题。
� 确定运输方案需考虑问题：取决于站址周围交通的情况及今后几年当地交通 发展的情况。
� 有些方案表面上、客观上可行，但实际操作起来，就不可行，这方面的经验 教训实例太多。
� 举例说明：例如：三常线宜昌龙泉换流站的2台换流变（铁路——水路—— 公路的大件运输方案）；三广线荆州换流站5台换流变（全程公路，后改为 半程公路——水运）。
一、 短路阻抗
为了限制当阀臂及直流母线短路时的故障电流以免损坏换流阀的晶 闸管元件，（换流器的换相过程实际上就是换流器的相短路过程，两相 短路或三相短路），换流变压器应有足够大的短路阻抗。
但短路阻抗也不能太大，否则会使运行中的 无功损耗增加，需要相 应增加无功补偿设备，并导致换相压降过大。大容量换流变压器的短路 阻抗百分数通常为12% ~ 18%。
阀的开关动作 阀的开关动作
直流侧基频阻抗
� 思考：
� 背靠背直流工程中换流变压器直流偏磁的原因？
（3）直流偏磁的危害
B
正负半波不对称的励磁电 流, 不仅含有奇次谐波还 含有偶次谐波。
i
H
t
① 直流偏磁引起半个周 波内的铁心过饱和, 导致 磁致伸缩加剧, 振动和噪 声增加。
t
直流偏磁
� ② 直流偏磁下变压器铁心的过热、损耗增加、温升增加、引发局 部过热
4.2 换流站主接线
� 直流输电换流站由基本换流单元组成，基本换流单元有6 脉动换流单元和12脉动换流单元两种类型，每个基本换 流单元主要包括换流变压器、换流阀、交直流滤波器、 控制保护设备、交直流开关设备等。
� 本节主要介绍：
� 1、换流器的接线； � 2、换流变压器与换流器的连接方式； � 3、交流滤波器的接入系统方式； � 4、直流开关场的接线； � 5、换流站特殊的接线方式。
及排水工作量大，改造费用高；公路运输距离远——超重车辆道路补偿费 用高）
（2）换流阀与换流变的接线
� 换流阀通常布置在阀厅（Valve Hall）内，对双极直流系 统，阀厅中间常常布置有主控室。
� 由于阀与换流变压器接线组合的差异，换流变压器与阀 厅的布置有不同的形式，归纳起来有三种：
� （1）换流变压器单边插入阀厅布置，可适用于各种接线方式； � （2）换流变压器双边插入阀厅布置，可适用于每极两组 12脉动
对于线路上流过直流电流，则阀侧绕组提供的电流为有正有负的对称交流； 而现在线路上流过的是交流，则阀侧绕组提供的电流应该始终为一个方向的电 流，即为直流。！！！ 类似于逆变器的工作原理
[ ] ia
=
23 π
Id
cos(ωt)
−
1 5
cos(5ωt)
+
1 7
cos(7ωt)
− 1 cos(11ωt) 11
� 在大多数高压直流换流站中，换流变压器的阀侧 套管都直接插入阀厅，以减少套管的污闪几率。
� 采用水作为冷却介质的晶闸管换流阀还安装了冷 却水管路。
� 阀厅的防火措施也值得重视。
四、直流开关场区域
� 直流开关场区域主要布置了高压平波电抗器、 直流滤波器、过电压保护装置、直流测量装置 以及用于运行方式切换和故障清除所需的直流 开关装置，如低压直流高速开关(LVHS)、金属 回 线 转 换 断 路 器 (MRTB) 、 大 地 回 线 转 换 开 关 (GRTS)。
换流阀、换流变压器、平波电抗器、 交流开关设备、交流滤波器及交流无功补偿装置、
直流开关设备、直流滤波器、 控制与保护装置以及远程通信系统等。
1
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10
高压直流换流站典型构成图
1—交流开关装置； 2—交流滤波器和无功补偿装置；3—换流变压器；
4—换流阀； 5—控制与保护装置； 6—平波电抗器；7—直流开关装置；
选择组合方式的依据
到底采用哪一种？ 1）直流输电工程的容量、 2）换流器以及换流变的生产制造能力 以及 3）换流变运输尺寸的限制 来确定。
换流变的运输方案问题
� 特点：一直是换流站工程建设中的一个难题，它前期调查工作量大、运输措 施费用大、运输时间长、影响面广、地方协调工作量大。
� 重要性：工程能否按期投产、建设进度是否受到影响，换流变的运输是一个 是否关键的因素。